玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子電子雜化突觸晶體管?

郭立強(qiáng)1)2) 陶劍1)? 溫娟1) 程廣貴1) 袁寧一1)2) 丁建寧1)2)

1)(江蘇大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究中心,鎮(zhèn)江 212013)

2)(常州大學(xué),江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心,常州 213164)

玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子電子雜化突觸晶體管?

郭立強(qiáng)1)2) 陶劍1)? 溫娟1) 程廣貴1) 袁寧一1)2) 丁建寧1)2)

1)(江蘇大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究中心,鎮(zhèn)江 212013)

2)(常州大學(xué),江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心,常州 213164)

(2017年4月23日收到;2017年5月16日收到修改稿)

隨綠色可持續(xù)發(fā)展觀念的深入人心,研究人員致力于尋找天然有機(jī)材料應(yīng)用于功能性電子器件.淀粉以其低廉的價(jià)格、豐富的來源和優(yōu)異的機(jī)械性能進(jìn)入了科研人員的視野.淀粉可由玉米、馬鈴薯、甘薯和葛根等含淀粉的物質(zhì)中提取而得,一般不溶于水,在和水加熱至一定溫度時(shí),則糊化成膠狀溶液.本文通過旋涂法將玉米淀粉的膠狀溶液旋涂至氧化銦錫玻璃表面,然后在30?C恒溫環(huán)境中晾干制備成固態(tài)膠合狀薄膜.以此薄膜作為固態(tài)電解質(zhì)制備了氧化銦鋅突觸晶體管,并實(shí)現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的雙脈沖易化、學(xué)習(xí)記憶能力、高通濾波等可塑性行為的仿真.本研究以玉米淀粉固態(tài)膠合薄膜作為電解質(zhì)大大降低了氧化物薄膜晶體管固態(tài)電解質(zhì)的成本,且該電解質(zhì)無毒性、來源豐富,將為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)提供一種可選擇的元件.

玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì),雙脈沖易化特性,突觸晶體管,高通濾波特性

1 引 言

生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以神經(jīng)元為基本信息處理單元,并依靠神經(jīng)元之間的神經(jīng)突觸實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與整合,這種信息傳遞與整合的工作方式利用馮.諾依曼計(jì)算機(jī)已很難進(jìn)行模擬[1].為進(jìn)一步模擬人腦生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形象思維方式,研究人員從模擬人腦生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息存儲(chǔ)、加工處理機(jī)制入手,并在實(shí)物方面設(shè)計(jì)了許多種具有人類思維特點(diǎn)的微電子元器件,新材料體系的氧化物薄膜突觸晶體管就是其中之一[2?6].新材料體系的氧化物薄膜突觸晶體管依據(jù)其所采用鐵電磁材料Pr(Zr,Ti)O3(PZT)/SrRuO3和離子/電子混合材料等作為柵介質(zhì),分別利用鐵電磁材料Pr(Zr,Ti)O3(PZT)/SrRuO3在電場(chǎng)中產(chǎn)生極化和離子/電子混合材料中離子/電子在電場(chǎng)作用下遷移等特性實(shí)現(xiàn)神經(jīng)突觸可塑性行為的仿生.近年來,研究發(fā)現(xiàn)采用有機(jī)/無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體薄膜作為柵介質(zhì)的雙電層薄膜晶體管,在柵極施加正偏壓的情況下,柵介質(zhì)中的質(zhì)子將向遠(yuǎn)離柵極的方向輸運(yùn),最終在靠近溝道層的柵介質(zhì)表面形成質(zhì)子積累層[7].柵電極施加正向較小、較少脈沖的刺激時(shí),質(zhì)子將遷移到質(zhì)子導(dǎo)體膜和半導(dǎo)體溝道層之間的界面,并在臨近半導(dǎo)體溝道層下誘導(dǎo)產(chǎn)生電子層,最終形成雙電層而保持其工作狀態(tài).柵電極施加正向較大、較多脈沖的刺激時(shí),質(zhì)子將迅速遷移到質(zhì)子導(dǎo)體膜和半導(dǎo)體溝道層之間的界面,并因短時(shí)間內(nèi)質(zhì)子獲得足夠大的能量而躍遷進(jìn)入半導(dǎo)體溝道層,與半導(dǎo)體溝道層的元素發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),最終形成永久記憶狀態(tài).雙電層薄膜晶體管的電學(xué)特性取決于質(zhì)子導(dǎo)體膜或固態(tài)電解質(zhì)的電容和質(zhì)子傳導(dǎo)等特性.聚合物電解質(zhì)通常是由無機(jī)鹽溶于高分子聚合物中制備成的一種固態(tài)電解質(zhì),固態(tài)聚合物電解質(zhì)柵介質(zhì)具有成本低、易制備等優(yōu)點(diǎn).其中聚環(huán)氧乙烷(PEO)/高氯酸鹽(A CiO4,A=Li,K)是最早也是最常見的一類聚合物電解質(zhì)[8].聚合物電解質(zhì)的離子在聚合物矩陣內(nèi)遷移速度較快,這決定了器件響應(yīng)時(shí)間較慢,所以基于聚合物電解質(zhì)為柵介質(zhì)的雙電層晶體管應(yīng)該避免用于高頻工作領(lǐng)域.為了克服聚合物電解質(zhì)作為晶體管柵介質(zhì)對(duì)器件開關(guān)速度和工作頻率的限制,研究人員研制了高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料——離子液,由于離子液具有不易揮發(fā)、化學(xué)穩(wěn)定和高離子電導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種電學(xué)器件,如鋰離子電池、低壓雙電層晶體管[9?12].以N,N-二乙基-N-甲基-N-乙基(2-甲氧基)季胺二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(DEME-TFSI)為例,Yuan等[13]將聚合物電解質(zhì)和離子液作為雙電層晶體管的柵介質(zhì),由于陽離子和陰離子可在離子液內(nèi)幾乎無障礙地自由遷移,離子液作為柵介質(zhì)的晶體管的開關(guān)速度明顯快于聚合物電解質(zhì)材料為柵介質(zhì)的晶體管.與聚合物電解質(zhì)和離子液相比,固態(tài)電解質(zhì)表現(xiàn)出了優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)特性,其開關(guān)速度介于兩者之間.近年來,Wan等[14]制備了多孔SiO2、多孔A l2O3和分子篩等無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料,例如,在室溫下采用等離子體化學(xué)氣相沉積法制備得到的多孔SiO2納米顆粒膜中發(fā)現(xiàn)了巨大的雙電層電容(約2μF/cm2,f=1 Hz).隨著科技進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)的要求日益提高,研究人員更致力于選擇環(huán)保型固態(tài)電解質(zhì)材料來制備氧化物薄膜突觸晶體管器件[15,16].

淀粉不僅作為食物在人類的生活中不可或缺,還作為一種重要的工業(yè)原料廣泛用于紡織、醫(yī)藥和造紙等行業(yè)[17,18].淀粉一般呈顆粒狀,主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種聚合物混合而成[19].淀粉可由玉米、馬鈴薯、甘薯和小麥等含淀粉的物質(zhì)中提取而得,一般不溶于水,在和水加熱至一定溫度時(shí),則糊化成膠體溶液.本文通過旋涂法將有機(jī)玉米淀粉的膠體溶液旋涂至氧化銦錫(ITO)玻璃表面,然后在30?C恒溫環(huán)境中晾干制備成固態(tài)膠合薄膜.以此薄膜作為固態(tài)電解質(zhì)制備氧化銦鋅(IZO)突觸晶體管.該突觸晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性,其工作電壓低于1.5 V,開關(guān)比為1×107,且器件穩(wěn)定性良好,并實(shí)現(xiàn)了生物神經(jīng)突觸的雙脈沖易化、長(zhǎng)短程記憶及高通濾波等特性的仿真.

2 實(shí) 驗(yàn)

首先取120 ML去離子水加熱至100?C,再取15 g玉米淀粉浸入在去離子水中,同時(shí)不停地快速攪拌,使淀粉充分溶解在去離子水中,直至透明膠狀液體,如圖1(a)所示;將獲得的透明膠狀液體旋涂至ITO玻璃襯底上,隨后在烘干臺(tái)上烘烤12 h,烘干溫度為30?C,從而獲得玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)薄膜.室溫下,通過一次掩膜自組裝技術(shù),以氬氣作為保護(hù)氣體,控制濺射壓強(qiáng)為0.5 Pa、氬氣流量為14 sccm,采用IZO靶材(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的In2O3和10%的ZnO),15 Min后在玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)薄膜上沉積了一層IZO薄膜.由于濺射時(shí)使用的掩模板與柵介質(zhì)薄膜之間存在的間隙,根據(jù)濺射的衍射原理,可在源、漏電極之間形成一個(gè)厚約為30 nm、長(zhǎng)和寬分別為80μm和1000μm的溝道層[20,21],如圖1(b)所示.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)玉米淀粉在熱水中糊化圖;(b)基于玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)為柵介質(zhì)的質(zhì)子/電子雜化突觸晶體管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.(color on line)(a)The iMage of corn starch is gelatinized in boiling water;(b)the scheMatic iMage of p roton/electron hybrid IZO fi lMsynap tic transistors gated by corn starch solid electroly te structure.

3 結(jié)果與分析

圖2(a)插圖為淀粉固態(tài)電解質(zhì)的分子式以及水合作用反應(yīng)式.當(dāng)玉米淀粉浸入沸水時(shí),淀粉顆粒會(huì)發(fā)生不可逆的膨脹即糊化反應(yīng),其本質(zhì)是體系中水分子獲得足夠能量進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部與其爭(zhēng)奪氫鍵,造成氫鍵破壞,使得淀粉分子微晶束的狀態(tài)由原來的緊密結(jié)合變得疏松,淀粉分子充分伸展,淀粉糊體系混亂度增加,淀粉分子失去了平行排列取向的可能,其氫鍵與水分子發(fā)生了高度的水合作用,這有利于水分子在淀粉分子中的運(yùn)輸和存儲(chǔ)[22].以糊化后的玉米淀粉溶液制備了膠合薄膜,該薄膜具有大量的疏松孔洞和間隙,疏松孔洞與間隙的存在為水分子存儲(chǔ)及離子遷移提供了良好的條件[23].由于淀粉分子中含有大量親水性基團(tuán)(-OH),在糊化時(shí)淀粉分子和水分子會(huì)發(fā)生高度的水合作用,這也會(huì)產(chǎn)生一定的離子導(dǎo)電性[24?26].淀粉固態(tài)電解質(zhì)中質(zhì)子的遷移機(jī)制類似于其他固態(tài)聚合物電解質(zhì)[27,28].圖2(a)為玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)的電容-頻率特性曲線,由圖可見,隨著頻率逐漸降低,質(zhì)子響應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng),大量氫質(zhì)子向玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)與溝道層界面處遷移并累積,形成了雙電層[29?31].當(dāng)頻率降為1 Hz時(shí),其形成的雙電層電容約為1.2μF/cm2.圖2(b)為以玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)為柵介質(zhì)的質(zhì)子電子雜化突觸晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線.轉(zhuǎn)移特性曲線中存在一個(gè)明顯的洄滯窗口,約為0.5 V,這可能是由玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中質(zhì)子遷移滯納所致.當(dāng)柵電壓Vgs從1.5 V逐漸降低至?1.5 V時(shí),在淀粉固態(tài)電解質(zhì)層與溝道層接觸面的氫質(zhì)子受溝道層中電子層的吸引作用從而緩慢返回平衡位置,因此產(chǎn)生了洄滯現(xiàn)象.根據(jù)轉(zhuǎn)移特性曲線,可以計(jì)算出器件的開關(guān)比約為1×107.亞閾值擺幅S可由(1)式估算:

式中Vgs為柵電壓,Ids為源漏電流,經(jīng)計(jì)算約為156.8 mV/dec.器件的閾值電壓Vth可通過I1/2ds-Vgs曲線的擬合直線在X軸的截距得到,約為0.2 V.因而飽和區(qū)(Vds＞Vgs?Vth)的場(chǎng)效應(yīng)遷移率μ可由(2)式獲得:

圖2 (網(wǎng)刊彩色)(a)玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)的電容-頻率特性曲線,插圖為淀粉分子的結(jié)構(gòu)式以及水合作用反應(yīng)式;(b)器件的轉(zhuǎn)移特性曲線;(c)器件的輸出特性曲線;(d)器件的脈沖響應(yīng)特性曲線Fig.2.(color on line)(a)Frequency-dependent specific capacitance of corn starch solid electrolyte Insert:Molecu lar forMu la of corn starch solid electroly te and the equation of hyd ration;(b)transfer characteristicsof device;(c)outpu t characteristics of the device;(d)tiMe response of the device of pu lse square-shaped.

式中L為溝道長(zhǎng)度,L=80μm,W為溝道寬度,W=1000μm,Ci為玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)單位面積電容,Ci=1.2μF/cm2.經(jīng)過計(jì)算可得飽和區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)遷移率μ約為18.7 cm2.V?1.s?1. 圖2(c)為該器件的輸出特性曲線,柵電壓Vgs從?0.6 V依次增加到1.2 V,每次增幅0.3 V.由圖可見,源漏電壓Vds較低時(shí),器件具有明顯的線性區(qū)域,表明器件的歐姆接觸良好;而在源漏電壓Vds較高時(shí),器件又表現(xiàn)出了良好的飽和特性;當(dāng)源漏電壓Vds為1.2 V、柵電壓Vgs為1.2 V時(shí),器件的飽和電流達(dá)到最大約為192μA.圖2(d)給出了該器件的脈沖響應(yīng)特性曲線,源漏電壓Vds為2 V,在柵電極施加交替柵電壓Vgs分別為1.5 V和?1.0 V.經(jīng)過40次循環(huán)后,電流無明顯損失,且開關(guān)比保持穩(wěn)定,這表明玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)和IZO溝道層之間沒有發(fā)生明顯的電化學(xué)摻雜,器件具有良好的穩(wěn)定性.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)(a)間隔時(shí)間為50 Ms的連續(xù)刺激作用下的雙脈沖易化特性曲線;(b)兩個(gè)連續(xù)刺激引起的雙脈沖易化峰值之比(A 2/A 1)隨著刺激間隔時(shí)間的變化Fig.3.(color on line)(a)Paired-pu lse facilitation,a pair of p re-synap tic spikes and the triggered EPSC under an inter-sp ike interval of 50 Ms;(b)PPF index,defined as the ratio of A 2/A 1,p lotted as function of inter-sp ike interval,between the two succeed spikes.

利用玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子電子雜化突觸晶體管,本文進(jìn)一步仿生研究了生物神經(jīng)突觸的可塑性行為.圖3(a)給出了仿生生物神經(jīng)突觸的雙脈沖易化(paired-pulse facilitation,PPF)特性曲線.在柵極上施加兩個(gè)間隔的脈沖刺激,間隔時(shí)間?t為50Ms,脈沖振幅為0.5 V.由圖可見,所得到的興奮性后突觸電流(excitatory postsynaptic current,EPSC)的峰值有著明顯的增加,兩次EPSC尖峰峰值之比為150%.這說明第一次脈沖刺激后,所激發(fā)的氫質(zhì)子沒有全部擴(kuò)散,并產(chǎn)生了一定的累積;由于兩次刺激間隔時(shí)間較短,當(dāng)?shù)诙蚊}沖刺激時(shí),再次誘導(dǎo)出氫質(zhì)子,使質(zhì)子數(shù)量再次累加,導(dǎo)致EPSC增大,最終實(shí)現(xiàn)了類似于神經(jīng)突觸的雙脈沖易化特性.為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)類神經(jīng)突觸的雙脈沖易化特性的可控性,可通過改變脈沖刺激的間隔時(shí)間?t,如圖3(b)所示.其易化指數(shù)隨著間隔時(shí)間的增加而逐漸減少.間隔時(shí)間越長(zhǎng),所誘導(dǎo)在界面處的質(zhì)子擴(kuò)散至平衡位置的數(shù)量越多,質(zhì)子累積的優(yōu)勢(shì)逐漸消失導(dǎo)致EPSC增幅也就越小.

圖4(a)給出了連續(xù)施加10個(gè)脈沖所獲得的興奮性后突觸電流特性曲線,其中脈沖振幅、脈沖寬度和脈沖間隔分別為0.5 V,10 Ms和50 Ms.由圖可見,每一次脈沖刺激均使EPSC的峰值得到提高,但在連續(xù)脈沖刺激的情況下,增長(zhǎng)比值逐漸減小,這表明在連續(xù)的脈沖刺激下,玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中質(zhì)子被激發(fā)的數(shù)量逐漸達(dá)到飽和.連續(xù)脈沖刺激完成之后,隨玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中質(zhì)子逐漸擴(kuò)散,EPSC逐漸減小,這一現(xiàn)象非常類似于神經(jīng)突觸學(xué)習(xí)記憶的衰減特性.圖4(a)插圖給出了不同數(shù)目脈沖刺激之后的EPSC的衰減特性曲線,其中所施加的脈沖振幅、脈沖寬度和脈沖間隔分別為0.5 V,10 ms和50 ms,脈沖數(shù)目分別為5,10,20,40,80.由圖可見,隨脈沖數(shù)量的增加,在相同時(shí)間內(nèi)EPSC衰減的比例逐漸增大,這表明玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中激發(fā)質(zhì)子擴(kuò)散的比例逐漸上升.圖4(b)是不同數(shù)量脈沖連續(xù)刺激后獲得的記憶保持曲線,其脈沖參數(shù)與衰減特性曲線設(shè)定一致.其記憶保持指數(shù)?W由(3)式得出:

式中W1為刺激前源漏電流值,W2為刺激后不同時(shí)間點(diǎn)的源漏電流值.如圖所示,給予不同數(shù)量的脈沖刺激,在刺激后1 s時(shí),刺激數(shù)為80的記憶保持指數(shù)?W遠(yuǎn)大于其他刺激數(shù)的記憶保持指數(shù),且隨著時(shí)間推移,記憶保持指數(shù)逐漸減小,但減小趨勢(shì)放緩.這類似生物記憶的短時(shí)記憶向長(zhǎng)時(shí)記憶的轉(zhuǎn)變,通過重復(fù)刺激記憶得到鞏固.伴隨刺激數(shù)目增加,玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中激發(fā)質(zhì)子數(shù)也增加,刺激結(jié)束后激發(fā)質(zhì)子開始擴(kuò)散.刺激脈沖數(shù)量越大,質(zhì)子的累積效應(yīng)越明顯,因此質(zhì)子擴(kuò)散所需要的時(shí)間越長(zhǎng),記憶保持指數(shù)?W也就越大.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)(a)連續(xù)刺激下興奮性后突觸電流變化曲線(脈沖振幅、脈沖寬度、脈沖間隔時(shí)間分別為0.5 V,10 Ms,50 Ms),插圖為不同數(shù)目脈沖刺激之后的興奮性后突觸電流的衰減特性曲線;(b)不同刺激數(shù)量的記憶保持指數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4. (color on line)(a)T iMe dependent creased channel current(EPSC)by ten gate pu lse(0.5 V,10Ms)With interval tiMe of 50Ms,insert isnuMbersof gate pu lses dependentMeMory decay ratio;(b)change of theMeMory retention index is p lotted as a function of the tiMe,after diff erent numbers spike.

為進(jìn)一步研究質(zhì)子在玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中的濾波特性,本文通過改變刺激的脈沖頻率對(duì)突觸晶體管進(jìn)行了一系列連續(xù)的刺激,其中脈沖的頻率為1—50 Hz,脈沖數(shù)量、脈沖寬度和脈沖振幅分別為5,10 Ms和0.5 V,如圖5(a)所示.當(dāng)刺激頻率為1 Hz時(shí),第五個(gè)EPSC的峰值約為3.05 nA,這接近第一個(gè)EPSC的峰值.隨著刺激頻率的增加,EPSC的值有著明顯的增強(qiáng).EPSC的增益定義為第五個(gè)EPSC尖峰(A 5)的絕對(duì)振幅與第一個(gè)尖峰(A 1)的比值.圖5(a)給出了在不同刺激頻率下的EPSC增幅.圖5(b)給出了頻率相關(guān)的EPSC的增益變化,隨著頻率的增高,第五個(gè)EPSC(A 5)和第一個(gè)EPSC(A 1)之間的峰值之比呈遞增趨勢(shì).當(dāng)頻率為1和50 Hz時(shí),A5/A 1分別為121%和217%,這表明高頻率刺激后給予激發(fā)質(zhì)子擴(kuò)散的時(shí)間越短,質(zhì)子累積效應(yīng)越明顯,引起的EPSC的峰值也就越高.這反映出在神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中,短時(shí)間內(nèi)連續(xù)的突觸刺激可以促進(jìn)或抑制突觸響應(yīng),短期促進(jìn)或抑制分別有助于高通濾波和低通濾波,因此該玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子電子雜化突觸晶體管可根據(jù)信號(hào)的頻率用作于信息傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)濾波器.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)興奮性后突觸電流在不同頻率下隨時(shí)間變化;(b)興奮性后突觸電流增益(A 5/A 1)隨頻率變化Fig.5.(color on line)(a)EPSCs recorded in response to the stiMu lus train With d iff erent frequencies;(b)EPSCs aMp litude gain(A 5/A 1)p lotted as function of p resynap tic spike frequency.

4 結(jié) 論

本文以玉米淀粉作為試劑,根據(jù)玉米淀粉遇熱水糊化的原理,配置成玉米淀粉膠狀溶液.利用旋涂技術(shù)將玉米淀粉膠狀溶液制備在ITO玻璃表面,以此作為固態(tài)電解質(zhì),制備了玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子電子雜化突觸晶體管.研究發(fā)現(xiàn),玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)質(zhì)子電子雜化突觸晶體管展現(xiàn)出良好的電學(xué)特性,其工作電壓、開關(guān)比、亞閾值擺幅分別為1.5 V,1×107,156.8mV/dec..由于玉米淀粉固態(tài)電解質(zhì)中明顯的質(zhì)子累積效應(yīng),作為柵介質(zhì)所制備的質(zhì)子/電子雜化突觸晶體管可實(shí)現(xiàn)生物神經(jīng)突觸的雙脈沖易化、學(xué)習(xí)記憶能力、高通濾波等可塑性行為的仿真.因此,本研究的器件大大降低了氧化物薄膜突觸晶體管的制備成本,在環(huán)保型微電子元器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

[1]A raMZ,Jafari Z,Mab J,Sp rott J C,Zendeh rouh S,PhaMV T 2017 ComMun.Non linear Sci.NuMer.Simu lat.44 449

[2]Zhang S J,Ding D,Wei G L,Liu Y,A lsaadi F E 2017 NeurocoMputing 260 257

[3]BordersWA,AkiMa H,FukaMi S,Moriya S,Horio Y,Sato S,Ohno H 2017 Appl.Phys.Express 10 013007

[4]Borghetti J,Snider G S,Kuekes P J,Yang J J,Stewart D R,WilliaMs S T 2010 Nature 464 873

[5]Li Y H,Yang Y C,Gao X M,Yuan J L,Zhu G X,Zhang Z Y,Wang Y J 2016 IEEE Electron Dev.Lett.37 1434

[6]K iMH,Park J,Kwon MW,Lee J H,Park B G 2016 IEEE Electron Dev.Lett.37 249

[7]Yuan H,ShiMotan H,Tsukazaki A,OhtoMo A 2010 J.Am.Chem.Soc.132 6672

[8]Rocco A M,Fonseca C P D,Pereira R P 2002 Po lyMer 43 3601

[9]N i’Mah Y L,Cheng MY,Cheng J H,Rick J,Hwang B J 2015 J.Power Sources 278 375

[10]Goodenough J B,Park K S 2013 J.Am.Chem.Soc.135 1167

[11]Liu Y H,Zhu L Q,Shi Y,Wan Q 2014 Appl.Phys.Lett.104 133504

[12]Zhu D M,Men C L,Cao M,Wu G D 2013 Acta Phys.Sin.62 117305(in Chinese)[朱德明,門傳玲,曹敏,吳國棟2013物理學(xué)報(bào)62 117305]

[13]Yuan H,ShiMotani H,Tsukazaki A,OhtoMo A,K awasakiM,Lwasa Y 2009 Adv.Funct.Mater.19 1046

[14]Lu A X,Sun J,Jiang J,Wan Q 2009 App l.Phys.Lett.95 222905

[15]Wu G,Feng P,Wan X,Zhu L,Shi Y,Wan Q 2016 Sci.Rep.6 23578

[16]Wu G,Zhang J,Wan X,Yang Y,Jiang S 2014 J.Mater.Chem.C 2 6249

[17]GoMesME,Ribeiro A S,Malafaya P B,ReisR L,Cunha A M2001 BioMaterials 22 883

[18]OhkitAt,Lee S H 2004 J.Appl.Polym.Sci.97 1107

[19]Finkenstad t V L,Willett J L 2004 J.Polym.Environ.12 43

[20]Lu A X,Sun J,Jiang J,Wan Q 2010 IEEE E lectron Dev.Lett.31 1137

[21]Wu G D,Zhou JM,Zhang H L,Zhu L Q,Wan Q 2012 IEEE E lectron Dev.Lett.33 1720

[22]Stute R 1992 Starch-Starke 44 205

[23]RaMesh S,LieWC W,A rof A K 2011 J.Non-Cryst.So lids 357 3654

[24]RaeishosseiniN,Lee JS 2016 ACS Appl.Mat.In terfaces 8 7326

[25]And D T,S?derMan O 2002 J.Phys.Chem.B 106 11887

[26]Zhitenev N B,Sidorenko A,Tennant D M,Cirelli R A 2007 Nat.Nanotechnol.2 237

[27]Teoh K H,LiMC S,LieWC W,RaMesh S 2015 Ionics 21 2061

[28]LieWC W,RaMesh S,RaMesh K,A rof A K 2012 J.So lid State E lectrochem.16 1869

[29]Wee G,Larsson O,Srinivasan M,Berggren M,Crispin X,Mhaisalkar S 2010 Adv.Funct.Mater.20 4344

[30]Guo L Q,Wen J,Cheng G G,Yuan N Y,D ing J N 2016 Acta Phys.Sin.65 178501(in Chinese)[郭立強(qiáng),溫娟,程廣貴,袁寧一,丁建寧2016物理學(xué)報(bào)65 178501]

[31]Zhao K S,Xuan R J,Han X,Zhang G M2012 Acta Phys.Sin.61 197201(in Chinese)[趙孔勝,軒瑞杰,韓笑,張耕銘2012物理學(xué)報(bào)61 197201]

PACS:85.30.Tv,77.55.D—,73.61.—rDOI:10.7498/aps.66.168501

*Pro ject supported by National Natural Science Foundation of China(G rant No.51402321),the Ma jor Cu ltivation PrograMof the National Natu ral Science Foundation of China(G rant No.91648109),Postdoctoral Research Funding P lan of Jiangsu Province of China(Grant No.1402071B)and G raduate Student Research and Innovation PrograMin Jiangsu Province of China(G rant No.SJLX 16_0437).

?Corresponding author.E-Mail:2221603047@stMail.u js.edu.cn

Corn starch solid electroly te gated p roton/electron hyb rid synap tic transistor?

Guo Li-Qiang1)2)Tao Jian1)?Wen Juan1)Cheng Guang-Gui1)Yuan Ning-Yi1)2)Ding Jian-Ning1)2)

1)(Micro/Nano Science and Technology Center,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)
2)(Jiangsu Collaborative Innovation Center of Photovoltaic Science and Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

23 April 2017;revised Manuscript

16 May 2017)

A huMan brain is a high-density neural network,which has～ 1011neurons and～1015synapses.Neuron as a basic in formation p rocessing unit builds the biological neural network,and the realization of information transMission and integration depends on the synaptic connection between neurons.This inforMation transfer and integration work is diffi cult to realize by relying on von NeuMann coMputer,due to the coMputer only works according to the well-defined prograMs.To further simu late the imagery thinking of human brain neural network,the researchers begin With the inforMation MeMory and p rocessing MechanisMof huMan brain neural network.A large number of Microelectronic devices With huMan thinking characteristics are designed,such as MeMristor,atoMic sWitch,phase change MeMory,and transistors.The oxide-based thin fi lMtransistor under the neWmaterial systeMis one of these devices,and has attracted the attention of researchers.The transistors working as the biological synapses,the gate electrode is regard as presynap tic input terMinal,and the channel current ismeasured as postsynaptic output.Utilizing the p roton gating behaviors,a series of synap tic behaviors,such as short-terMand long-terMmemory,paired-pulse facilitation,and spike tiMing-dependent p lasticity isMiMicked successfully in these synaptic transistors.

With the p rogressing of science and technology,and the increasing of requirements for environmental p rotection,researchers pay More attention to the environMentally friend ly solid electrolyte Materials to fabricate oxide-based thin fi lMsynap tic transistor.Researchers have a Major interest in starch,due to the loWprice,rich source,and excellent mechanical properties.Starch can be extracted froMcorn,potato,sweet potato and other starch-containing substances,and is generally insolub le in cold water,and gelatinized in boiling water.In this study,corn starch solid electrolyte is prepared on ITO glass by spin coating progress,and dried at a constant teMperature at 30?C.The electrical perforMances of protonic/electronic hybrid IZO synap tic transistor gated by corn starch solid electrolyte are excellent,operation voltage,Ion/offratio,field-eff ect mobility and subthreshold sWing are 1.5 V,1 × 107,18.7 cM2.V?1.s?1and 156.8 mV/dec.,respectively.Due to theMobile proton Migrating in corn starch solid electrolyte,the paired-pulse facilitation,learning and memory behaviors and high-pass fi lter of biological neural synaptic p lasticity are realized successfully.The synaptic transistors have potential app lications in the field of environMent-friend ly Microelectronic devices to reduce the production costs.Therefore,the corn starch solid electrolyte gated p roton/electron hybrid synap tic transistor as an artificial synapse can off er a suitable option to building the neural network.

corn starch solid electrolyte,paired-pulse facilitation,synaptic transistors,high-pass fi lter

10.7498/aps.66.168501

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51402321)、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):91648109)、江蘇省博士后科研資助計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):1402071B)和江蘇省普通高校專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):SJLX 16_0437)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:2221603047@stMail.u js.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn